Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 23
Текст из файла (страница 23)
9.2.4. Влияние СО2, СО и паров Н2О на свойства стали 2[Н]+ [О] кцН20! [Н] + [0] гп ОН (9.22) 404 (квадратными скобками обозначены газы, растворенные в металле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концен- Оксиды углерода СО2 и СО в тех или иных количествах всегда есъь в газовой среде. Степень диссоциации и окислительная способность СО2 при температурах дугового разряда весьма значительны (см.
рис. 9.1). В отличие от СОз окись угяерода СО не диссоциирует в луговом разряде. Кроме того, СО не растворяется в жидком металле и поэтому непосредственной опасности для него не представляет. В то же время СО может созлавать защитную ат- 407 мосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции 1 СО+-О =СО . 2 Окись углерода может непосредственно образовываться и прн сварке угольным электродом, создавая достаючную газовую защиту. Иную роль играет окись углерода, обрюующаяея в самом металле при взаимодействии углерода с кислородом или углерода с оксидами металлов.
В этом отношении наиболее характерна реакция между углеродом и закисью железа: [РеО]+ [С] пй СО 7 '- [Ре]. (9.23) Наблюдающееся кипение металла (выделение пузырей образующейся окиси углерода) способствует удалению посторонних включений. Однако если в металае шва в момент его кристаллизации нет нужных раскислнтелей (например, %, Мп), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то кипение металла сварочной ванны может продолжаться до окончания кристаллизации и привести к нежелательному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва. Пары воды днссоциируют и зоне столба дуги полностью на водород и кислород. Их влияние на свойства стали при сварке описано в равд. 9.2.3 и 9.2.1.
Итак, состав газовой среды в зоне столба дуги и степень активности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости зашиты жидкой фазы сварочной ванны (стали) от контакта с воздухом и тщательной металлургической обработки ее дла получения качественного сварного соединения. 9.2.5. Влияние атмосферных газов на свойства цветных металлов Медь при взаимодействии с кислородом дает стабильный окснд СнзО, растворимый в жидкой меди: (9.24) 4Со е Оз = 2[СпзО]. В расплаве оксид мели СизО весьма устойчив, но при кристаллизации вследствие ликвации образуется эвтектика Си — СнзО и фвю Сп О теряет свою устойчивость, вызывая под воздействием г Оз и Нз так называемую кводородную болезнь» мсдп, которая привод водит к разрушению металла и являетса результатом последовательного взаимодействия меди с кислородом по реакции (9,24), а затем с водородом цо следующей реакции: 2[Н] ь [СозО] = 2Сц+Н30я Т.
(9.25) Иными словами, водород, растворенный в окисленном металле, взаимодействует с оксидом Со!О, находишимся в эвтехтике и восстанавливает его до Со, но образующиеся при этом пары волы ие диффуилируют через металл и разрушают его по границам зерен. Равновесная диаграмма плавкости Сц — О приведена на рис, 9.! . , 9. 4.
Как слелуег иэ диаграммы, в области температур ниже 10б5 "'С (1338 К) сугцествует раствор Со е СозО, но растворимость СцзО в тверлой фазе ничтожно мала. Таким образом, при сварке меди и ее сплавов необходимо принимать все меры для снижения степени ее окисления 1420 Ж юти вводить раскнслнтели. Анызогичная ситуация имеет 1380 место при сварке деталей из никеля Ж+СаО !338 К Ж и его с!шавов.
Никель с ОЗ образует 1340 два соединения; К4203 и Н)О. Пер- 0.39 0. С,+ С,,о вый из них неУстойчнв, Явлаетсв Св 025 050 075 сильным окислнтелем (он прнменя- О, % (мас.) етсЯ в щелочных аккУмУлктоРах). рн, 914 Ди Второй — КВΠ— устойчивый оксид „св 13 Оа хорошо растворим в жидком никеле, но не растворим в твердом никеле. Диаграмма плавкости, ариведениая на рис, 9.15, показывает, что содержащиеся в металле оксиды никеля при нагревании выше 1700 К легко днссоцннруют, выделяя кислород, который образует поры с водородом, находящимся в жидком металле, при его кристаллизации.
Никель, в отличие от железа, не взаимодействует с азотом, который может служить для него так же, как и для Сп, защитной средой. Титан является особо активным химическим элементом по отношению к кислороду, с которым он образует ряд устойчивых оксилов, обладающих различной степенью окисления. Кроме того, кислорол растворяется в твердом металле. Оксиды, особенно 409 Т,К Т,К 2300 !723 1700 2100 1700 1300 1500 1!00 1300 !!00 0,2 0,6 1,0 1,4 О, % (мас.) 1О 20 30 40 О, % (мас.) Рис.
9Л 5. Диаграмма алаакссти Рй — О Рнс. 9.16. Диаграмма плаакостн Т! — О (атомные лови) лла малых концентраций кислорода Т(ЗО5 ТзО2 (9.26) Т!2Оз — ТЮ вЂ” Т! Из оксидов титана наименьшую температуру диссоциации имеет Т!02 (ЛО = 0 при 3500 К), диссоциация которого происходит согласно уравнению 4т!02 ~ 2т!2Оз+ О27 (АО = 718400-159 96 т) (9 27) 4!0 имеющие низкую степень окисления: ТЮ, Т)205, ТЮ2, обладают большим температурным интервалом гомогенности, т.
е, существуют в однофазном твердом растворе при охлаждении до нормальной температуры (рис. 9.16). При температурах этого интервала наиболее устойчив оксид ТЮ. Для оксидов титана характерна ступенчатая диссоциация, которая идет по двум вариантам: Титан также активна взаимодействует с азотом и водородом (см. рис. 9.7), образуя ингриды и гидриды, поэтому требуется особо тщательная защита его сплавов от атмосферы при сварке. Алюминий соединяется с кислородом в устойчивый амфотерный оксил А1205 (корунд) образующий соли как в кислой, так и в щелочной среде. Окснд А!зОз не растворим в алюминии и образует плотную оксилную пленку, имеющую весьма высокие температуру плавления (Т > 2500 К) и плотность (выше, чем у мегслла).
При сварке с окислением в шве образуются включения А!201, т. е. шлаки, которые приводят к охрупчиванию металла шва. Кроме того, поверхиосчпые пленки из А!205 склонны к адсорбцни Н2О, т. е. к гидратации во влажной среде. Гидратиая вода, входящая в А!205 л Н20, при сварке диссоциирует и эго приводит к повышению парциального давления водорода в столбе дуги. При охлаждении до температуры кристюшизации растворимость водорода резко снижается практически до нулевых значений (см, рис, 9.6, и) и прп кристаллизации часть выделяющеюся газа создает поры в шве.
Второй продукт диссоциации — кислород — окисляет основу сплава или его главный легируюший компонент (Мй, 13) и тем самым увеличивает долю шлака в шве в виде легко!шавкой звтектикн. Таким образом, попадание атмосферных газов в большей или меньшей степени в зону столба дуги вследствие несовершенства газовой защиты или в виде примесей в защитных газах оказывает вредное воздействие на конструкционные металлы и сплавы в шае ц в зоне термического влияния, так как приводит к образованию в них горячих либо холодных трещин и пор, а также к снижению прочности и пластичности сварных соединений.
9.3. Взаимодействие металла с эашитпымц флюсами при сварке 9.3.1. Строение н свойства сварочных флюсов Сварочные флюсы представляют собой сплавы рюличных оксидов, солей или сплавы солей и оксидов. Они имеют пониженные (по сравнению с соответствующим жидким металлом) температуру плавления и плотность. При взаимодействии сварочных флюсов с жидким металлом изменяется их химический состав и они превращаются в шлак, который располагается в основном на поверхности сварочной ванны и защищает ее ст непосредственного кон- 41! 4!3 4!2 такта с атмосферой.
Однако при высоких температурах, разви. вающихся во время сварки, флюсы-шлаки переходят в реакционно-способное состояние и вступают в обменные реакции с металлом, что может снижать качество швов. Для управления этим процессом необходимо иметь сведения о строении шлаков и условиях, в которых возможно взаимодействие шлаков с металлами. В соответствии с ионной теорией, имеющей широкую жспериментальную основу, шлаки обладают кристаллической структурой ионного типа, т. е.
каждый катион окружен анионами, а анион — катионами. Ионное строение шлаков подтверждается их заметной злектропроводностью (того же порядка, что и электропроводность расплавов типичных электролитов), которая возрастает с повышением температуры, что также характерно для электролитов. Схема кристаллического строения флюсов, состоящих из оксидов и солей, представлена на рис. 9.17. Структурными единицами кристаллического строения оксидов и солей являются катионы (металлов 24 2- Ме ) н анионы (кислорода О, фтора Р, хлора С) и др.), когорые чередуютсв в узлах кристаллических решеток.
л б в г Рнс. 9.17. Схема строения жидких кислых и основных флюсов (с — авионы квслорода; Π— катионы металлов основных оксилов; ° — катионы кремния): а чистый кремнезем; б - раствор небольшого количества еснеьамх ексилаь ь квемнезьме (лахьзьим хвемнекнслайеламь ьлнонн: ! ° ЯзОз ь', 2- Я40ззз з', 3 . з- . ЯьО,з);в — рьстьер лебеаьшою ксличесгь» «ренззешмь ь есаеьнен ексаль (лнкьзьны изолироьшшме зетрьэлрм г — ЯОь ); г - сильв еснеьниз ексалеь Структурной единицей оксида кремния (кремнезема) является аниои ЯО44 . Анионы ЯО4 обладают возможностью соединяться между собой через атомы кислорода с образованием разнообразных по структуре комплексов ионов — силикатных комплексов б' 0', .
При расплавлении оксидов и солей ионы сохраняются, но нарушается дальний порядок; ионы и комплексы ионов почучшот значительную подвижность. При добавлении к кремнезему основных оксидов СаО, МйО и т. п. происходит дробление силикатных комплексов с образованием ионов в следующей последовательности: Я40зй, б!40!2, Я20э, Я!От ит,л.Дюблениесиликатных комплексов доходит до образования изолированных тетраэдров ЯО (см. 4 ца рис. 9.17), что снижает их вязкость в расплавров .
з ленном состоянии. При определенной концентрации кислотных и основных оксидов образуются комплексы ионов — силикаты л МеО Я02(метасиликат МеО ЯОш ортосиликат 2МеО Я02). Прн добавлении к основным оксидам амфотерных оксидов образуются алюминаты л МеО А!202, фосфаты л М40. Р40! о, феррил МО Ре20 . Жидкие ишаки являются распюрами-электролитамн. Они обладают присугцей электролитам ионной проводимостью и подвержены электролизу, Шлаки, богатые основнымн оксидами, называются ослоалымл липками, а при большом содержании кислотных оксидов — кислыми иьзикаин.
В псовом приближении считается, что про- 2- сгые катионы (Ее, Са, Мй и др.) и простые аиионы (О, Р ) в основных шлаках равноценны в отношении взаимодействия друг с другом и такие шлаки близки к идеальным растворам (по теории М.И. Темкина). Г!о мере увеличения в шлаке кислых оксилов его поведение все более отличается от поведения идеального раствора, Жнлкие шлаки представляют собой наиболее сложный вид растворов, теоретическое описание которого представляет затруднение.
В дальнейшем будем рассматрнштгь сварочные шлаки как молекулярные распюры, а в отдельных случаях — как ионные растаорм. Сварочные флюсы применяют для выполнения следующих задач: — зашиты жидкого металла от непосредственнопэ контакта с воздухом; (кк кМео . Мео, ) (кд Мео), н(58 Мсо)кна„ (9. 30) ~.56 Мкн В л»,М (9.28) 414 415 — проведения процесаов раскисления, вегирования и рафинн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
